低液位铸造技术在铝合金扁锭生产中的应用

  本文关键词：低液位铸造技术在铝合金扁锭生产中的应用，由笔耕文化传播整理发布。

2007 , Vol . 35 , № 1

轻　 　 　 　 　 　 合 金 加 工 技 术

LAFT 　　　　　　　　 25

低液位铸造技术在铝合金扁锭生产中的应用
孙继陶 ,杨怀军 ,蔡有萍
( 中国铝业青海分公司 ,青海 西宁 810108)
摘要 : 介绍低液位铸造技术的核心

,石墨内衬对铸造的扁锭提供了理想的表面 ,铸造出的扁锭表面平滑无偏析瘤 ,偏 析深度仅 200 μ ～500 μ ,铸锭壳区厚约 1 mm ,可减少铣面量 50 % ,两大面只需铣削 2 mm～4 mm ,减少热轧切边量 m m
17 % ,大大提高了扁锭的成材率 。

关键词 : 结晶器 ; 石墨环 ; 低液位 ; 双水道 ; 液穴 ; 微分激光传感器 ; 铸造速度 ; 液位高度 中图分类号 :TG229 　　 文献标识码 :A 　　 文章编号 :1007 - 7235 (2007) 01 - 0025 - 06

Lo w head composite casting for ingot casting system
SUN Ji2tao , Y ANG Huai2jun ,CAI Y 2ping ou

( Qinghai Branch of CHALCO , Xining 810108 , China)

Abstract : This paper tells us the main point of LHC. The graphite liner supplied a smooth surface , the surface crack depth is only 200 μ - 500 μ ,the rime depth is 1 mm ,reduced 50 % mill work ,reduce 17 % roll edge work ,only need to mill 2 mm - 4 mm , m m greatly improved finished product rate. level Key words : mold ; graphite liner ; low head composite ; double waterway ; metal hole differential laser sensor ; casting speed ; metal

　　 使用传统的结晶器 ( 结晶器高度 200 mm) 生产铝 合金扁锭 ,由于结晶器内液位较高 ,冷却水水套和结 晶器不是一个整体 ,冷却凝固时间长 ,冷却水流量控 制难 ,生产的铸锭常发生弯曲变形 、 裂纹 、 成分偏析 、 夹杂 、 、 气泡 疏松等缺陷 ,铸件表面不光滑 ,表面偏析 瘤较厚 。铣削面大约每端面 12 mm ,扁锭成品率只有 60 % 。我公 司 采 用 先 进 的 低 液 位 铸 造 技 术 和 设 [1 ] 备 ,克服了以上弊端 , 大大提高了扁铸锭的质量和 成品率 。

1　 低液位铸造技术
1. 1 　 低液位铸造( LHC)

低液位铸造是使用组合结晶器 , 控制结晶器内 熔融金属液位达到理想的液位高度 。在开始铸造 后 ,结晶器内的液面高度会逐渐降低 ,当铸锭达到一 定长度后结晶器内液位会保持在最低液面不变而完 成铸造全过程 。不同的合金有不同的液位高度 , 一

般最低液位在 35 mm ～ 71 mm 范围内 。2 × × ×、 3 ××× 合金其最低液位可以达到 35 mm ;1 ×××、 4 ×××、 ×××合金液位较高 , 在 64 mm～ 71 mm 8 之间 。 低液位组合结晶器的结晶器和水套设计为一 体 。冷却系统采用双水道 ,在熔融金属开始填充时 , 使用一级水道 , 低水流量冷却 ; 当填充结束 , 正常铸 造开始 ,液压缸下降 , 第二级水道打开 , 冷却水流量 会逐渐提高到正常冷却水流量 。自动化系统会按照 程序控制金属液位和冷却水流量 。 1. 2 　 低液位铸造中的液穴及热量传递 液位高度对铸锭的结晶特点和液穴形状有影 响 ,因而对铸锭的应力分布和裂纹倾向有影响 。液 位较低 ,铸锭在结晶器内停留的时间较短 ,对减轻二 次加热程度 、 防止淬火性表面裂纹是有利的 。液位 过高 ,铸锭在结晶器内停留的时间较长 ,二次加热程 度加剧 ,容易使铸锭在脱离结晶器直接见水时 ,形成

　　 收稿日期 :2006 - 09 - 18 　　 第一作者简介 : 孙继陶 ( 1962 - ) ,男 ,陕西耀县人 ,工程师 。

? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.



　　　　　　　　 LAFT 26

轻　 　 　 　 　 　 合 金 加 工 技 术

2007 , Vol . 35 , № 1

淬火性表面裂纹 。 1. 3 　 传统铸造和低液位铸造液穴高度与热量传递比较 传统铸造结晶器和水套是分离的 , 水套只有一 级水眼 ,水流量是靠人工手动调节管路水压完成 ,流 量控制不科学 。结晶器很高 , 结晶器内液位也比低 液位铸造的液位高 , 液穴也较深 。低液位铸造由于 结晶器结构的特点 , 采用逐级冷却 , 所以不仅液位 低 ,液穴浅 ,而且热量传递更加科学合理 。 传统铸造结晶器高度为 120 mm～200 mm ; 低液 位铸造组合结晶器高度仅为 80 mm ,正常铸造时液位 只有 40 mm 左右 ,液面到结晶器石墨环高度 10 mm～ 20 mm ,且液面波幅只有 2 mm 。见图 1 和图 2 。

图3　 蒸汽屏障示意图

随着铸锭表面温度降低 , 冷却水将开始间歇地 接触铸锭表面 。在这个阶段热传导率开始增加 , 由 于热传导机制正在发生变化 , 这个阶段被称为过渡 状态 。冷却水的性质决定了过渡点 ( 称为临界热流 通量或 CHF) ,它是最大程度的热传导点 。 ( 3) 泡核沸腾 铸锭表面温度最后降到临界点 , 在这个临界点 冷却水可以保持完全与铸锭表面的接触 。在这种情 况下 ,热传导率非常大 ( 是膜沸腾中传导率的 10 ～ 100 倍) 。 蒸气泡在铸锭表面上形成并被冷却水流带走 。 泡核沸腾是基本的冷却机制 , 通过它在铸造运行中 实现快速结晶 。 ( 4) 传导Π 对流 当铸锭表面温度降到更低而不能进行泡核沸腾 后 ,通过传导和对流实现热量传递 。这时从铸锭到 冷却水的热传导率相对低于对流的 , 铸锭内部的热 量必须首先通过逐渐增厚的铸锭壳传导到表面 , 然 后热量通过冷却水的对流从铸锭表面带走 。见图 4 。

图1　 传统铸造液穴示意图

图2　 低液位铸造过程液穴及热量传递示意图

1. 4 　 低液位铸造的冷却及凝固过程 1. 4. 1 　 从膜沸腾到泡核沸腾的冷却机制 ( 1) 膜沸腾

膜沸腾在铸锭的表面温度比冷却水的沸点高得 多的时候出现 。一般是发生在铸锭从结晶器出来 时 ,冷却水首先冲击它的表面使冷却水蒸发 ,在铸锭 表面形成一个连续的蒸汽膜或层 。这个蒸汽屏障阻 止了冷却水直接接触铸锭表面 。冷却水和热铸锭之 间失去接触 , 极大地降低了热传导率 。引发膜沸腾 被广泛地用在铸造开始的时候控制锭尾翘曲 。如图
3 所示 。 ( 2) 临界热流通量 ( CHF)
图4　 冷却水直接冷却铸锭示意图

( 5) 从膜沸腾到泡核沸腾的过程

从图 5 所示膜沸腾到泡核沸腾的过程可以看 出 ,当铸锭开始下降 , 首先出现膜沸腾 , 这时产生很 大的蒸汽屏障 。当铸锭长度达到 100 mm 以后 ,锭尾


? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

2007 , Vol . 35 , № 1

轻　 　 　 　 　 　 合 金 加 工 技 术

LAFT 　　　　　　　　 27

图6　 开始结晶时凝固状态图

图5　 从膜沸腾到泡核沸腾过程示意图

出现翘曲 , 翘曲随着铸锭长度增加而变大 。当铸锭 长度达到 150 mm～200 mm 时 ,膜沸腾逐渐被泡核沸 腾所取代 ,长度到 200 mm 以后铸锭完全处在泡核沸 腾之下 。 1. 4. 2 　 低液位铸造凝固过程 低液位铸造凝固可分为三个阶段 ( 参见图 6 和 图 7) : 第一阶段是最初的结晶器激冷 ( IMC) 区 : 在这个 阶段 ,随着熔融铝与结晶器壁接触 ,一个固态的壳快 速形成 。由于与组合结晶器中石墨环的接触面积小 以及石墨比铝有较低的热传导率 , 所以这个 IMC 区 域很小 。 第二阶段是慢激冷 ( SC) 区 : 这时凝固的壳收缩 离开结晶器壁 ,极大地降低了热传导 ,使得凝固壳再 被加热而部分被重熔 ( 熔析) 。但在低液位铸造情况 下 ,慢激冷区实际上被排除 ,这就极大地减少了反偏 析层 ( 壳区) 。 第三阶段是超前冷却距离 ( ACD) : 在第三阶段 , 冷却水冲击铸锭的表面 , 铸锭被快速固化并改变结 晶剖面的形状 。ACD 就是被直接水冷却影响的水冲 击点以上的距离 ,在那里由于被水直接冷却而结晶 。 在低液位组合结晶器里 ,ACD 事实上足够消除 SC 区 ( 由于低金属液位和增强的冷却 ) 。SC 区大量 的缩小 , 形成在 LHC 里见到的凝固壳层厚度很小 ( 通常少于 1 mm) 。

图7　 正常铸造时凝固状态图

2　 低液位组合结晶器结构特点
低液位组合 (LHC) 结晶器本体是由一块铝精密 机加工制成的 。本体包括全螺纹卡盘 、 一个对水密 封、 对称性上Π 下水腔和机加工的挡水板 ( 图 8) 。挡 水板能很好地分配冷却水 ,使流量均匀 。 LHC 结晶器石墨内衬有四片石墨 , 在铸造过程 中 ,石墨为结晶器提供一个非湿润表面 ,石墨是多孔 的 ,可以作为铸造润滑油的容器 。石墨内衬片两面 是对称的 ,如果一面损坏 ,可以将石墨片倒转使用 。 顶盖紧紧夹持石墨内衬保持在结晶器腔内的位 置 ,底盖内导端口用于空气通道 ( 用于自动对中液压 缸与结晶器水阀门) 。 在 LHC 结晶器中的两个水腔各有自己的成套 喷水孔 ,随着铸造的进行 , 打开内部总水阀 , 向一个 水腔供水 , 允许两套喷水孔同时喷水 。对于铸造不 同合金 , PLC 程序中设定不同的冷却水量 。阀门设 有滑动式密封 , 不会有机械磨损产生泄漏现象 。控 制系统可实现精确的可重复的阀门定位 , 可以同步 操作打开多个阀门 ,阀门通常处于打开状态 。 结晶器入水口设有过滤网 , 防止外来物质破坏


? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

　　　　　　　　 LAFT 28

轻　 　 　 　 　 　 合 金 加 工 技 术

2007 , Vol . 35 , № 1

1 - 顶盖 ;2 - 石墨 ;3 - 二级水道 ;4 - 一级水道 ; 5 - 底盖 ;6 - 结晶器本体 ;7 - 过滤网

图9　 传统铸造偏析层与低液位铸造偏析层的比较

图8　 结晶器断面图

4　 低液位铸造技术在铝合金大扁锭生

水的分配量 。

产中的应用
4. 1 　 低液位铸造设备及平面布置

3　 低液位铸造的实现及对偏析层的影响
3. 1 　 低液位铸造的实现

在传统的 DC 铸造结晶器内采用低液位铸造的 目的 ,是要在铸锭表面生成薄的偏析区 ( 壳区 ) 。它 要求利用结晶器里非常低的金属液面来进行铸造 , 从而获得低液位状态 。在传统的 DC 铸造结晶器中 , 由于直接水冷淬火的低冲击角 , 结晶器中的超前冷 却不足以高到在一个安全和可接受的金属液面上生 成薄的壳层 。在这种低液位情况下 , 铝液泄漏出现 之前金属液面变化的余地非常小 , 如果没有精确自 动的金属液面控制 ,低液位铸造是难实现的 。 采用低液位组合结晶器铸造 , 结晶器的出口使 用了双配置的冷却水喷射装置 。LHC 采用高冲击 角 ,把冷却水喷到铸锭上来提高冷却强度 ,提升了结 晶器中的超前冷却区 。
LHC 结晶器中有较大的超前冷却区 , 使结晶器

利用低液位铸造技术生产铝及铝合金大扁锭 , 采用 50 t 熔炼炉 、 t 倾动式保温炉 、 50 在线精炼设备 、 炉内精炼系统 、 立式内导铸造机 、 带激光液位监测流 量控制的分配流槽 、 组合结晶器 、 引锭头以及自动化 控制系统 , 自动化操作系统等 。其主要设备布置如 图 10 所示 。 4. 2 　 低液位铸造控制设备及技术 要实现低液位铸造 , 首先要实现熔融金属在结 晶器内的液位高度控制 。在铸造时保持很低的金属 液位 ,从而达到低温浇注 、 高效率冷却 、 快速凝固 。
4. 2. 1 　 流槽金属液位控制

激光流槽液位监测器用来监测流槽液位高度 , 并在流槽上安装有两个挡板 , 在挡板处各安装一个 限位开关 , 当 ACD 流槽金属液位达到一定高度后 , 第一个挡板打开 ,熔融金属快速填充过滤箱 ,当过滤 箱液位达到设定高度时 ,CFF 挡板自动打开 , 流槽中 的金属快速填充分配流槽 。 4. 2. 2 　 分配流槽金属分配 低液位铸造中结晶器金属液位高度 , 主要靠安 装在分配流槽内的激光液位检测器和导流销执行器 来控制每个导流口的金属流量 , 从而保证每个结晶 器内的金属液位高度相等 。如果某个结晶器内金属 液位 “低” “高” 激光监测器就会发出信号给导流 或 , 销执行器 ,执行器就会 “升高” “降低” 或 导流销来调 节金属流量 。导流销执行器见图 11 。
4. 2. 3 　 导流销间隙预设定

里的金属液面保持在相当高的水平 , 同时仍能获得 低液位铸造所要求达到的状态 。随着凝固的表面接 触 ,并离开结晶器壁 , 表皮只有一点点重熔 , 保持了 原有固化的光滑表面 。
3. 2 　 传统 DC 铸造技术和低液位铸造技术生产的铸

锭质量比较 　　 在传统的 DC 铸造中 , 在铸锭表面的偏析区 ( 壳 区) 的结晶结构和成分与铸锭的其他部分的不同 ,如 图 9a 所示 。而用 LHC 结晶器铸造的铸锭的显微结 构比传统铸造的更均匀 ,并接近用电磁 ( EM) 铸造可 能得到的结果 ; 铸锭表面的偏析区 ( 壳区) 比传统 DC 铸锭的薄得多 ( 图 9b) ; 并减少熔融金属泄漏的次数 , 防止重熔金属溢出到铸锭表面 。

导流销间隙预设定是在低液位铸造前 , 确定第 一个到最后一个导流销和分流口之间的合理间隙 , 以保证金属从分配流槽流进结晶器时 , 每个结晶器 流入相同的金属流量 。


? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

2007 , Vol . 35 , № 1

轻　 　 　 　 　 　 合 金 加 工 技 术

LAFT 　　　　　　　　 29

100 - 倾翻架 ;200 - 分配流槽 ;240 - 冷却水控制阀架 ;265 - CFF 过滤箱 ;280 - ACD 除气装置 ; 300 - 铸造平台 ;400 - 结晶器 ;405 - 引锭头 ;500 - 铸造速度控制阀架 ;600 - 铸造机操作台

图 10 　 铝及铝合金大扁锭铸造设备平面布置图

图 11 　 激光控制导流销示意图

图 12 　 微分激光器监测示意图

4. 2. 4 　 流槽 、 结晶器金属液位监控

使用激光模拟液面高度传感器来监测流槽内的 金属液位 ,在液位高或低时发出信号 ,由控制保温炉 的液压缸的液压比例阀来调整保温炉的角度 , 从而 调整流槽中的液面高度 。 用结晶器微分激光传感器来测量结晶器内的熔 融金属液面高度 ,维持稳定的金属流量 ,使铸造过程 处在安全可靠的电子控制之下 , 实现铸造时间和速 度的精确控制 , 使扁锭底部在进入冷却水之前就已 经凝固 ,减少铸锭底部翘曲 。当金属液面达到规定 液面时自动开始铸造 ,在铸出底部翘曲后 ,结晶器中 的金属液面自动降低到最佳铸造液面 , 可以获得最 佳铸锭表面质量 , 并减少翘曲 。激光监测示意图见 图 12 和图 13 。 4. 2. 5 　 低液位铸造自动化系统控制 利用 PLC 系统将低液位铸造的各个设备连接起 来 ,SCADA 采集信号并处理这些信号 ,同时根据程序

图 13 　 微分激光监测原理图

来监测铸造过程 ,如果设备运转或铸造速度 、 冷却水 流量 、 铝液温度 、 在线精炼 、 在线过滤 、 喂丝机 、 铸造 机系统 、 激光传感器 、 压缩空气压力 、 氩气压力 、 氮气 压力等发生变化 ,流槽或结晶器液位偏高或偏低 ,系 统都会自动更正或发出警报来提醒操作人员进行维 护 。在出现异常情况时 ,系统会自动终止铸造 ,防止 发生事故 。


? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

　　　　　　　　 LAFT 30
4. 3 　 低液位铸造铝及铝合金扁锭工艺

轻　 　 　 　 　 　 合 金 加 工 技 术 表 1。

2007 , Vol . 35 , № 1

3 ××× 铝合金扁锭低液位铸造工艺参数实例见

表 1 　 ××× 3 铝合金扁锭低液位铸造工艺参数
铸造长度
mm 0 51 280

　　 : 基本参数 : 开始浇注温度 690 ℃ 699 ℃,稳定铸造温度 688 ℃ 695 ℃,引锭头填充时间 90 s ,过热区域 285 mm ,铸锭底部翘曲 35 mm ,过渡 注 ～ ～ 区 175 mm～225 mm 。

低液位铸造工艺流程参见图 14 。

1 - 倾动式保温炉 ;2 - 流槽激光监测器 ;3 - ACD 在线除气装置 ;4 - CFF 在线过滤装置 ;5 - 分配流槽 ;6 - 结晶器 ; 7 - 熔融铝液 ;8 - 出铝液口回转机构 ;9 - 渣箱 ;10 - 渣箱 ;11 - 铸造平台 ;12 - 铸造机顶板 ;13 - 铸造机液压缸

　　 低液位铸造工艺流程 : 选料 → 配料 → 电磁搅拌 → 扒渣 → 取样 → 转炉 → 精炼 → 扒渣 → 取样 → 静置 → 参数控制 → 除气 → 过滤 → 铸造 → 吊出铸锭 → 检查 → 锯切 → 称重 → 打印 → 交库 。

5　 低液位铸造的铝合金大扁锭

扁锭厚度 :330 mm 、 mm 、 mm 、 mm ( 铣 410 520 620 面前) ; 宽度 : 900 mm～ 1 800 mm ; 长度 : 3 500 mm ～ 7 200 mm ( 锯切后 ) 。铸锭底部锯切量小于 200 mm , 浇口部锯切量小于 80 mm 。 扁锭没有表面裂纹、 通裂、 气孔、 夹渣等缺陷 ,表面 [2] 偏析瘤小于 4 mm ;疏松小于一级 ;晶粒度小于二级 。 铸锭氢含量 :1 ××× 系合金扁铸锭的氢含量小

铸造速度 mmΠ min
41 41 64

铸造长度
mm 0 76 280 400

图 14 　 铝合金扁锭铸造工艺流程图

水流量 m3Π h
17. 0 17. 0 50. 0 56. 8

铸造长度
mm 0 25 125 200 400

金属液位
mm 43 56 61 61 41

铸造长度
mm 0 150 175

LHC 阀门压力 MPa 0. 28 0. 28 0. 00

6　 结束语

生产高附加值铝合金扁锭 , 并且是生产 1100 、 、 3104 5182 合金大规格 ( 330 mm～ 620 mm 厚 ) 扁锭 。成品 率由原来的 60 %提高到 85 % ,采用低液位铸造的扁 锭底部翘曲小 , 获得光滑表面与较高冶金特性的铸 锭 。金属烧损减少 ,工人劳动强度降低 ,有很好的经 济效益和社会效益 。

参 考 文 献:
[1 ] 　 美国 WAGSTAFF 公司铸造技术设备说明书 [ Z] . [2 ] 　 中国铝业青海分公司扁锭技术标准 [ S] .

? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

( 于 0. 15 mLΠ 100 gAl ) ( 1235 合金扁铸锭氢含量不大 ( 于 0. 12 mLΠ 100 gAl ) ) ;3 ××× 合金扁铸锭的氢含 ( 量小于 0. 18 mLΠ 100 gAl ) ;5 ××× 系合金扁铸锭的 ( 氢含量小于 0. 20 mLΠ 100 gAl ) 。

我公司使用低液位铸造技术用电解原铝液直接





  本文关键词：低液位铸造技术在铝合金扁锭生产中的应用，由笔耕文化传播整理发布。